面向微电子封装的两自由度高速精密定位系统研究

摘要

随着我国微电子封装工业的发展，微电子封装设备的发展也越来越快。本文正是以开发面向微电子封装设备-自动超声波引线键合机的高速、高精度定位系统为目标，以有限元法、动态设计方法、运动控制和模式匹配等理论作为手段，系统地研究了高速、高精度XY定位平台的结构设计、加减速控制算法和插补算法以及视觉定位的关键技术，并建造出了XY精密定位平台样机一台，制作了运动控制卡各模块，开发了基于模式匹配的视觉系统。论文主要内容有以下三个方面： 设计了一台采用步进电机-滚珠丝杠螺母副驱动的XY高速、高精度定位平台。提出了XY高速精密定位平台静、动态特性的有限元分析方法，探讨了XY定位平台在不同载荷情况下的力学行为，分析了XY定位平台的固有频率和模态振型。在此基础上实现对XY高速精密平台的结构动态设计。 设计了基于USB通用串行总线和数字信号处理器（DSP）的运动控制卡的各个模块。在硬件方面，采用TI公司的高性能DSP芯片TMS320LF2407A作为步进电机的主控制器，辅以外围电路实现电机控制，并采用USB通用串行总线接口芯片CY7C68013A完成了DSP与PC机之间的高速通信；在软件方面，实现了步进电机的T形加减速控制算法和S形加减速控制算法，选择最小偏差法实现了两轴直线插补，采用C语言编写了步进电机各种运动方式的程序，在使用CYPRESS公司EZ-USBFX2通用驱动程序的基础上，调用其提供的两种控制函数库中的接口控制函数，开发了PC机上的运动控制函数，并做成动态链接库，方便用户调用。 建立了一套视觉定位系统进行测试。在硬件方面，先分析了CCD摄像头、图像采集卡和镜头等图像采集硬件对采集芯片图像影响并按检测要求，选用了NI公司的1405型图像采集卡和威视公司的VC-513D工业用CCD摄像机，搭建了视觉定位的硬件系统；在软件方面，使用VS.NET平台进行开发图像处理、模式匹配软件，图像处理和模式匹配是整套视觉定位系统的核心，采用NI公司的IMAQVision8.2软件包，利用其提供的图像处理算法库，通过图像获取、图像标定和图像增强等方法预处理，并采用基于模式匹配的定位方法来获取目标点位置。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究意义及来源

1.2精密定位技术及研究现状

1.2.1机构形式

1.2.2导轨形式

1.2.3驱动方式

1.2.3运动控制器

1.2.4实时检测方式

1.3课题研究的主要内容

第二章 XY平台的结构设计及有限元分析

2.1总体结构设计

2.2样机开发

2.3有限元分析

2.3.1 COSMOS有限元建模

2.3.2静态特性分析

2.3.2模态特性分析

2.4本章小结

第三章运动控制卡的硬件设计

3.1焊线机运动控制卡的性能要求

3.2运动控制卡硬件总体结构

3.3步进电机控制电路硬件设计

3.3.1电机控制专用芯片TMS320LF2407A介绍

3.3.2TMS320LF2407A外围电路设计

3.3.3电机控制模块设计

3.3.4轴上限位模块设计

3.4DSP与PC机的USB通信设计

3.5本章小结

第四章运动控制卡的软件设计

4.1运动控制系统软件的结构体系

4.2步进电动机的速度控制

4.3步进电动机的位置控制

4.4步进电动机的加减速控制

4.4.1梯形加减速控制及其实现

4.4.2S形曲线加减速控制及其实现

4.5X轴与Y轴插补

4.5.1最小偏差法两轴直线插补原理

4.5.2两轴直线插补的实现

4.6PC机与DSP通信软件设计

4.6.1 USB驱动程序设计

4.6.2USB芯片的固件设计

4.6.3DSP读写USBFIFO

4.6.4PC用户接口函数

4.7本章小结

第五章 视觉定位系统的设计及测试

5.1视觉定位系统的组成及工作流程

5.1.1系统设计要求

5.1.2视觉定位系统的总体设计

5.1.2视觉定位系统的工作流程

5.2图像采集硬件的建立

5.2.1 CCD摄像机的选用

5.2.2镜头的选用

5.2.3图像采集卡的选用

5.2.4光源的选用

5.3视觉定位系统的软件设计

5.3.1编程语言的选择及软件总体设计

5.3.2图像获取

5.3.3机器视觉系统的标定

5.3.4图像预处理

5.3.5基于模式匹配的物体中心定位

5.4视觉定位系统测试

5.5本章小结

总结与展望

全文总结

研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢